Tidlig i 2014 ble Tørnæs ny spisskandidat for Venstre til Europaparlamentet, etter at Ellen Trane Nørby trakk sitt kandidatur. Tørnæs ble valgt til Europaparlamentet med 136 388 personstemmer. Hun satt som viseformann i arbeids- og sosialkomiteen. Venstres to representanter er tilsluttet Alliansen av liberale og demokrater for Europa. I desember 2015 byttet Venstres ene EU-parlamentariker Jens Rohde til Radikale Venstre, og i februar 2016 ble Ulla Tørnæs ny utdannings- og forskningsminister mens Morten Løkkegaard (V) erstattet henne som EU-parlamentariker.